壽 鑫,應(yīng)慧慧,李 擎,于 威,2,張耀洲,2
(1.浙江理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,杭州 310018;2.浙江省家蠶生物反應(yīng)器和生物醫(yī)藥重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018)
家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)研究進(jìn)展
壽 鑫1,應(yīng)慧慧1,李 擎1,于 威1,2,張耀洲1,2
(1.浙江理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,杭州 310018;2.浙江省家蠶生物反應(yīng)器和生物醫(yī)藥重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018)
近年來(lái)家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)在應(yīng)用和優(yōu)化等方面研究有了新進(jìn)展。家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)利用攜帶外源目的蛋白基因的重組桿狀病毒對(duì)家蠶及其細(xì)胞系的高效感染能力,在感染后的家蠶體內(nèi)或培養(yǎng)細(xì)胞中大量表達(dá)目的蛋白。家蠶作為一種外源蛋白表達(dá)載體,具有與哺乳動(dòng)物細(xì)胞類似的翻譯后修飾過(guò)程,其與核型多角體病毒的動(dòng)態(tài)相互作用也一直是研究的熱點(diǎn)。由于該系統(tǒng)潛在的巨大優(yōu)勢(shì),為生產(chǎn)人類急需的蛋白質(zhì)藥物、基因工程疫苗和基因工程殺蟲劑等提供了新的途徑。
家蠶;桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng);新進(jìn)展
桿狀病毒(Baculovirus)是一種具有囊膜的雙鏈環(huán)狀DNA病毒,其基因組大小介于80~180 kb之間。桿狀病毒主要感染無(wú)脊椎動(dòng)物,特別是鱗翅目昆蟲,包括膜翅目、雙翅目、脈翅目、蚤目、纓尾目、毛翅目等7個(gè)目的昆蟲。桿狀病毒屬于桿狀病毒科(Baculoviridae),可分為兩個(gè)病毒屬:核型多角體病毒屬(Nucleopolyhedrovirus, NPV)和顆粒體病毒屬(Granulovirus, GV)。
家蠶飼養(yǎng)在中國(guó)歷史悠久,具有飼養(yǎng)方便、成本低廉的特點(diǎn),昆蟲桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)具有高效表達(dá)、安全性好、真核修飾、可容納外源基因大等優(yōu)勢(shì),因此,利用桿狀病毒在家蠶內(nèi)高效表達(dá)外源蛋白具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)。本文從家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用和優(yōu)化來(lái)簡(jiǎn)述近年來(lái)家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展。
Maeda[1]于1985年利用家蠶核型多角體病毒(Bombyx mori nuclear polyhedrosis virus, BmNPV)作為載體表達(dá)了人β-干擾素,但是其構(gòu)建重組病毒的方法存在重組病毒篩選困難、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題。Luckow[2]于1993年構(gòu)建了可以在大腸桿菌中復(fù)制并對(duì)昆蟲細(xì)胞仍具有的侵染能力的桿狀病毒穿梭載體(Baculovirus shuttle vector, Bacmid),大大縮短了重組病毒構(gòu)建所需時(shí)間。這種技術(shù)根據(jù)細(xì)菌轉(zhuǎn)座子原理,利用細(xì)菌轉(zhuǎn)座子將供體質(zhì)粒上的表達(dá)盒轉(zhuǎn)移至Bacmid基因組上的attTn7位點(diǎn),從而獲得了重組病毒基因組。同時(shí)在重組病毒基因組添加了多種抗性基因及LacZ缺失標(biāo)記,利于重組病毒的篩選及鑒定。
Motohashi[3]于2005年利用相似方法構(gòu)建了BmNPV bacmid和E.coli DH10B轉(zhuǎn)化細(xì)胞,建立了基于家蠶的Bac-to-Bac表達(dá)系統(tǒng)。目前已開發(fā)數(shù)種桿狀病毒表達(dá)技術(shù),有數(shù)百種重組蛋白利用家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)在家蠶中成功表達(dá)。
家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)的外源基因來(lái)源廣泛,其中大部分來(lái)自于真核生物,也有一些基因來(lái)自于細(xì)菌等微生物。家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)作為一種真核細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng),可對(duì)表達(dá)的蛋白進(jìn)行修飾如磷酸化、?;?、糖基化等,其高級(jí)結(jié)構(gòu)與天然相似,通過(guò)設(shè)計(jì)信號(hào)肽分子,能夠增加膜蛋白或分泌型蛋白的表達(dá)[4]。
到目前為止,多種外源蛋白基因利用家蠶桿狀病毒系統(tǒng)在家蠶中獲得了高效表達(dá),廣泛涉及醫(yī)用藥物蛋白、疫苗生產(chǎn)等領(lǐng)域。如:類胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF-II)[5]、小鼠白細(xì)胞介素3(IL-3)[6]、人粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子(HGM-CSF)[7]等基因。同時(shí)在家蠶細(xì)胞中表達(dá)了乙型肝炎表面抗原(HBsAG)疫苗[8]、口蹄疫亞單位疫苗[9]等。
目前,外源基因引入家蠶核型多角體病毒載體可分為插入融合表達(dá)和插入破壞原始基因兩種。常用的外源基因插入位點(diǎn)一般為病毒粒子的蛋白衣殼基因,包括polh基因、p10基因、gp64基因等。GP64是家蠶核型多角體病毒的一種囊膜糖蛋白,當(dāng)外源蛋白與囊膜蛋白融合表達(dá)時(shí),表達(dá)的外源蛋白展示在病毒粒子表面,可對(duì)外源蛋白進(jìn)行蛋白質(zhì)相互作用研究或作為特異性抗原免疫動(dòng)物產(chǎn)生免疫保護(hù)。
不同的外源基因利用家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)在家蠶幼蟲或細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)量有較大的差異。Sasaki等[10]利用桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)在家蠶中表達(dá)人免疫細(xì)胞表明受體(KIR2DL1),使用鎳柱親和層析從家蠶體液中純化目的蛋白,其產(chǎn)率達(dá)到0.2 mg/幼蟲。Zhou等[11]利用桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)在家蠶中表達(dá)重組內(nèi)切β-葡聚糖酶,其表達(dá)量在家蠶幼蟲中達(dá)到了386 mg/幼蟲。因此,如何提高外源基因在家蠶中的表達(dá)水平是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
隨著技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的面對(duì)不同需求的桿狀病毒表達(dá)載體已被開發(fā)出來(lái)。真核細(xì)胞表達(dá)的大多數(shù)蛋白質(zhì)都是多亞基聚合體,在細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行著重要的功能。但是研究這些多亞基蛋白的結(jié)構(gòu)和功能依賴于通過(guò)重組表達(dá)技術(shù)獲得大量的構(gòu)象正確的蛋白質(zhì)。MultiBac是一種桿狀病毒表達(dá)載體系統(tǒng),目前已被用于真核多亞基蛋白復(fù)合物的生產(chǎn)。MultiBac系統(tǒng)是在Bac-to-Bac的基礎(chǔ)上通過(guò)改造轉(zhuǎn)移載體(Transfer vector)和Bacmid,利用Tn7轉(zhuǎn)座受體位點(diǎn)將轉(zhuǎn)移載體上的目的基因轉(zhuǎn)入病毒基因組上,獲得重組病毒[12]。Yao等[13]利用三種供體載體和DAP營(yíng)養(yǎng)缺陷型大腸桿菌受體,構(gòu)建了能同時(shí)表達(dá)輪狀病毒vp2、vp6、vp7基因的重組BmNPV,在家蠶幼蟲中實(shí)現(xiàn)了輪狀樣病毒顆粒的組裝。這種方法為在真核細(xì)胞中高效表達(dá)多蛋白復(fù)合體提供了可能。
細(xì)菌輔助交配遺傳整合型克隆方法(Matingassisted genetically integrated cloning, Magic)是一種體內(nèi)高效克隆目的基因的方法,通過(guò)細(xì)菌接合、體內(nèi)特異性位點(diǎn)限制性剪切和同源重組技術(shù)使目的DNA片段從供體質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到受體質(zhì)粒,獲得重組Bacmid分子[14]。Yao等[15]將承載了目的DNA的pCT dual供體質(zhì)粒的菌株和含有經(jīng)過(guò)修飾的Bacmid的受體菌株混合,在體內(nèi)的限制性內(nèi)切酶和DNA連接酶作用下,利用同源重組獲得重組Bacmid DNA,將Bacmid DNA/CaPO4混合物注射入家蠶幼蟲體內(nèi)獲得重組病毒。這種方法可將構(gòu)建重組Bacmid DNA時(shí)間縮短到三天,且可利用磷酸鈣法轉(zhuǎn)染細(xì)胞,降低了生產(chǎn)成本。
啟動(dòng)子一般分為極早期啟動(dòng)子、早期啟動(dòng)子、晚期啟動(dòng)子,以及極晚期啟動(dòng)子。桿狀病毒載體一般使用polh啟動(dòng)子或p10啟動(dòng)子,這些強(qiáng)啟動(dòng)子屬于極晚期啟動(dòng)子,可以在感染晚期大量高效地表達(dá),但同時(shí)也會(huì)引起蛋白聚集。polh基因是病毒復(fù)制的非必需基因,編碼多角體蛋白,插入失活后可以產(chǎn)生明顯的表型變化,可作為一種重組病毒的篩選標(biāo)記。P10蛋白與多角體蛋白一起參與包裹病毒粒子和多角體形成。由于p10基因缺失時(shí)不能產(chǎn)生可識(shí)別的表型差異,可引入LacZ作為篩選標(biāo)記篩選重組病毒。
根據(jù)目前的研究,BES中多角體啟動(dòng)子控制下外源基因的表達(dá)水平通常遠(yuǎn)不如多角體蛋白的表達(dá)水平。因此,在多角體基因序列后面插入外源基因,融合表達(dá)可使外源蛋白的表達(dá)量增加。Lee等[16]將豬瘟病毒CSFV的包膜蛋白E2與核型多角體病毒的多角體蛋白融合表達(dá),在家蠶血淋巴和家蠶幼體中表達(dá)量分別達(dá)到0.68 mg/mL和0.53 mg/幼蟲,免疫試驗(yàn)和病毒中和試驗(yàn)表明,融合蛋白具有免疫原性和顯著的病毒中和活性,可用于大規(guī)模生產(chǎn)的豬瘟病毒E2抗原。
為了減少蛋白的聚集,可以選用在感染時(shí)較早表達(dá)的、核衣殼蛋基因啟動(dòng)子,如vp39啟動(dòng)子。核衣殼蛋白基因vp39是一個(gè)桿狀病毒在晚期表達(dá)的必需基因,其表達(dá)產(chǎn)物vp39蛋白是組成病毒核衣殼的主要成分。但是vp39啟動(dòng)子在減少蛋白降解的同時(shí)也會(huì)降低蛋白的表達(dá)量[17]。
一般來(lái)說(shuō),家蠶幼體表達(dá)重組蛋白的水平要高于細(xì)胞。另外,蠶蛹也可以被用來(lái)作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)蛋白質(zhì)。Ishikiriyama等[18]對(duì)比了半胱氨酸蛋白酶和幾丁質(zhì)酶缺陷型的BmNPV bacmid與未修飾的bacmid在蠶蛹中表達(dá)scFv的差異,發(fā)現(xiàn)差異很小。這可能是因?yàn)榘腚装彼岬鞍酌冈谛Q蛹中表達(dá)量比較少,因此,利用蠶蛹來(lái)生產(chǎn)半胱氨酸蛋白酶敏感型蛋白或許是個(gè)不錯(cuò)的選擇。研究表明,家蠶幼體具有豐富的血淋巴而適合于分泌型蛋白的表達(dá),蠶蛹則更適合表達(dá)膜蛋白和內(nèi)在蛋白[17]。
由于絕大多數(shù)重組桿狀病毒都采用替換多角體基因(polh),導(dǎo)致病毒無(wú)法形成包涵體顆粒,給接種家蠶帶來(lái)了一定的困難,因此建立一種在家蠶體內(nèi)簡(jiǎn)單、快速生產(chǎn)重組蛋白的方法顯得尤為重要。Lee等[19]將家蠶核型多角體病毒基因組、轉(zhuǎn)移載體和脂質(zhì)體共同注射到5齡家蠶中,從血淋巴中獲得了重組病毒。再將含有重組病毒的血淋巴接種到5齡家蠶內(nèi),檢測(cè)發(fā)現(xiàn)外源蛋白在家蠶體內(nèi)高效表達(dá)。
Wang等[20]發(fā)現(xiàn)熒光增白劑可以提高缺少了多角體基因的重組BmNPV對(duì)家蠶的經(jīng)口感染率,他們將重組病毒粒子與熒光增白劑VBL混合添加入家蠶人工飼料,喂食家蠶后發(fā)現(xiàn)最大感染率達(dá)到90 %,并且與對(duì)照組相比,試驗(yàn)組家蠶蛋白酶含量和腸液pH值均減小,病毒感染率的提高或由蟲體消化系統(tǒng)的異常生理變化導(dǎo)致。
在家蠶細(xì)胞中表達(dá)的蛋白容易被降解,其原因與半胱氨酸蛋白酶和幾丁質(zhì)酶有關(guān)。幾丁質(zhì)酶是一類具有生物催化活性的水解蛋白酶,可降解昆蟲體內(nèi)幾丁質(zhì),使蟲體液化,激活了半胱氨酸蛋白酶的釋放,從而使表達(dá)蛋白被降解[21-22]。Park等[23]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染了BmNPV-CP?bacmid的家蠶與對(duì)照相比血淋巴中蛋白酶活性減少了85 %。目前已利用缺失半胱氨酸蛋白酶和幾丁質(zhì)酶的家蠶核型多角體病毒高效表達(dá)了人IgG1[24]、纖維素酶[25]等。因此,通過(guò)修飾桿狀病毒基因組,將導(dǎo)致重組蛋白降解的蛋白酶基因敲除,從而減少重組蛋白被分解,就可以提高目的基因的表達(dá)水平。
蛋白質(zhì)糖基化修飾是一種重要的翻譯后修飾,參與受體激活、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等諸多重要的生物進(jìn)程。蛋白質(zhì)的糖基化,特別是N-連接糖基化主要發(fā)生在膜蛋白、分泌蛋白等上,具有重要的生物學(xué)意義。Katsuma等[26]利用定點(diǎn)突變技術(shù)使得從BmN細(xì)胞中表達(dá)的成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)缺少N-葡聚糖結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)目的蛋白被完全抑制分泌進(jìn)入培養(yǎng)基。這表明N-葡聚糖結(jié)構(gòu)在桿狀病毒編碼蛋白分泌過(guò)程中具有重要作用。
但是家蠶和人的糖基化修飾方式具有明顯的不同,昆蟲細(xì)胞表達(dá)的糖蛋白是簡(jiǎn)單的寡甘露糖N-糖鏈構(gòu)型,而哺乳動(dòng)物的糖蛋白是具有唾液酸末端的雜合型N-糖鏈構(gòu)型。這種差異與昆蟲細(xì)胞內(nèi)存在一種特殊的N-糖基加工的β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶有關(guān)[27]。因此,對(duì)昆蟲桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)的糖基化修飾途徑進(jìn)行改造,將更有利于人源化糖蛋白的合成。
Dojima等[28]研究發(fā)現(xiàn),分子伴侶的存在可以增加人分泌型IgG1蛋白在家蠶幼蟲內(nèi)的表達(dá)量,且其 N-葡聚糖的結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變。這表明雖然分子伴侶可輔助蛋白的翻譯后修飾過(guò)程,但其 N-糖基化修飾是由高爾基體控制的。因此,如果通過(guò)共表達(dá)N-乙酰葡糖氨基轉(zhuǎn)移酶、半乳糖基轉(zhuǎn)移酶和唾液酸轉(zhuǎn)移酶能夠改進(jìn)糖基化途徑, 將有助于人源化抗體的生產(chǎn)[28]。
桿狀病毒與宿主細(xì)胞的相互作用是一種自然進(jìn)化和相互適應(yīng)的過(guò)程,包括宿主對(duì)桿狀病毒的作用和桿狀病毒對(duì)宿主的影響。目前,在病毒或家蠶的基因發(fā)現(xiàn)、功能研究上較為熱門,而對(duì)兩者在分子水平上的相互作用研究較少。
桿狀病毒的基因表達(dá)具有時(shí)序性,在病毒侵染的初始階段,早期基因的表達(dá)可幫助病毒建立感染和選擇性的作用于宿主的特異基因,以利于控制宿主基因表達(dá)和子代生產(chǎn)。晚期轉(zhuǎn)錄時(shí)相主要為病毒粒子DNA的復(fù)制和結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。正如大腸桿菌會(huì)丟失轉(zhuǎn)入的質(zhì)粒一樣,宿主細(xì)胞對(duì)病毒的侵染會(huì)出現(xiàn)抵制行為,如免疫反應(yīng)、凋亡、RNA干擾等策略。
Sagisaka等[29]發(fā)現(xiàn)經(jīng)BmNPV侵染家蠶細(xì)胞12 h后,利用寡核苷酸微點(diǎn)陣檢測(cè)宿主基因的轉(zhuǎn)錄情況,宿主基因中有35個(gè)出現(xiàn)了明顯的上調(diào),17個(gè)基因出現(xiàn)下調(diào)現(xiàn)象;利用定量逆轉(zhuǎn)錄PCR(qRT-PCR)檢測(cè)家蠶細(xì)胞中mRNA表達(dá)水平發(fā)現(xiàn),13個(gè)基因有顯著的上調(diào)、7個(gè)基因出現(xiàn)了下調(diào)現(xiàn)象,但是大多數(shù)基因的表達(dá)水平并沒(méi)有發(fā)生較大變化。說(shuō)明桿狀病毒的侵染會(huì)對(duì)宿主細(xì)胞的基因表達(dá)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響宿主細(xì)胞的正常生理活動(dòng)。
泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(Ubiquitin-proteasome pathway)主要參與體內(nèi)蛋白質(zhì)的識(shí)別和降解過(guò)程,在家蠶核型多角體病毒逃避宿主細(xì)胞的免疫監(jiān)視、病毒粒子的釋放具有重要作用。Xue等[30]檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在病毒感染過(guò)程中泛素-蛋白酶體通路相關(guān)基因出現(xiàn)上調(diào)現(xiàn)象,并且病毒表達(dá)蛋白與多種宿主蛋白發(fā)生了相互作用,其中的5種病毒表達(dá)蛋白參與了基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程,暗示泛素-蛋白酶體通路與病毒侵染過(guò)程相關(guān)。Katsuma等[31]利用特異性蛋白酶抑制劑MG-132處理用BmNPV侵染的BmN-4細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)病毒粒子出芽和多角體蛋白合成減少,暗示蛋白酶體降解病毒自身蛋白或者宿主細(xì)胞蛋白對(duì)于感染早期多角體基因的高效表達(dá)是必須的。另外,在BmNPV中敲除病毒泛素基因(v-ubi)后,病毒侵染不能形成出芽型病毒和合成多角體蛋白,進(jìn)一步說(shuō)明泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在病毒侵染過(guò)程中的重要性。
家蠶作為一種特殊的經(jīng)濟(jì)昆蟲,與其他表達(dá)載體相比更具優(yōu)越性。利用家蠶表達(dá)外源重組蛋白具有成本低廉、操作方便、生產(chǎn)高效和適合產(chǎn)業(yè)規(guī)?;a(chǎn)的優(yōu)點(diǎn),家蠶桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、基礎(chǔ)分子生物學(xué),以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。
盡管桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)有著一系列的優(yōu)點(diǎn),但也存在不足。首先,用外源基因替代多角體蛋白后,目的蛋白的表達(dá)水平差異較大,如何提高表達(dá)量,建立一個(gè)高效的、穩(wěn)定的合適表達(dá)載體仍是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。其次,蛋白糖基化修飾方式與哺乳動(dòng)物細(xì)胞存在一定差異,不能滿足人源化蛋白表達(dá)的要求。并且由于外源基因是通過(guò)最終殺死細(xì)胞的病毒載體導(dǎo)入宿主細(xì)胞的,所以桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)不能提供穩(wěn)定的細(xì)胞株。
目前,家蠶和桿狀病毒的基因發(fā)現(xiàn)和單個(gè)基因的功能研究已有較多報(bào)道,但是對(duì)于家蠶和桿狀病毒間的動(dòng)態(tài)相互作用卻研究較少。因此,對(duì)家蠶和桿狀病毒進(jìn)行深入的功能基因組學(xué)研究,不斷改造和優(yōu)化這一表達(dá)系統(tǒng),來(lái)生產(chǎn)高附加值的藥用蛋白和疫苗,將具有廣闊的應(yīng)用前景和極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
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Progress of researches on baculovirus expression system of bombyx mori
SHOU Xin1, YING Hui-hui1, LI Qing1, YU Wei1,2, ZHAGN Yao-zhou1,2
(1.College of Life Science, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Silkworm Bioreactor and Biomedicine, Hangzhou 310018, China)
Based on application and optimization of baculovirus expression system of bombyx mori, this thesis summarizes the progress of latest researches on baculovirus expression system of bombyx mori. The expression system of bombyx mori baculovirus uses the high-efficiency infectivity of recombinant rhabdovirus carrying exogenous objective protein gene production on its cell lines to express a large number of objective proteins in infected bombyx mori or cultivated cells. As an expression vector of exogenous protein, bombyx mori has post-translational modifications like the mammalian cells and the dynamic interaction with Bombyx mori nucleopolyhedrovirus has been a hot research field all the time. As the system has potential huge advantages, it provides new approaches for protein medicine, genetic engineering vaccine and genetic engineering insecticide which people need urgently.
Bombyx mori; Baculovirus expression system; New progress
S881.24
A
1001-7003(2012)09-0018-05
2012-06-07
國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”項(xiàng)目(2011AA10 0603);浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y3090339);浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2011R406028)
壽鑫(1990- ),男,2009級(jí)生物技術(shù)專業(yè)本科生。通訊作者:于威,副教授,碩導(dǎo),yuwei@zstu.edu.cn。